海洋熱浪與海水酸化引發的生態危機
雷漢杰/國立中山大學海洋科學系助理教授。專長於海洋酸化、生物地球化學,以及全球變遷。
陳鎮東/國立中山大學海洋科學系約聘研究講座教授,專長於海洋化學、環境汙染、水化學、全球變遷(含古氣候學)。
✤ 全球氣溫上升加快海水酸化,兩者彼此加劇,造成海水層化、珊瑚白化、海洋熱浪、溶氧量降低等改變。
✤ 環境變化使海洋生物開始遷移並改變食物網結構,例如耐高溫、酸性環境的水母數量大爆發,堵住發電廠出入水口。
✤ 在海洋酸化和熱浪持續發生下,珊瑚等海洋生物也許只是第一批顯眼的難民,必須盡快找到替代能源及固碳方法,減緩暖化情形。
從 1880 年至今日,地球已增溫了約 1.1°C。主因為大氣溫室氣體增加,強化了溫室效應,地球留住了愈來愈多的熱能,而海洋更是這些熱能的最大(90% 以上)儲存庫。
暖化與海水酸化息息相關
冬天變得愈來愈暖、夏天變得愈來愈熱,這是目前全球氣溫的趨勢。而人為排放的二氧化碳,幾乎可以確定是造成全球暖化的元兇。然而二氧化碳不只是一種溫室氣體,它同時也是一種酸性氣體。從亨利定律(Henry's law)已知水中氣體 A 的濃度=A 的溶解度 × 氣相 A 的分壓。也就是說,當大氣中二氧化碳的分壓(或濃度)愈來愈高,就會有愈來愈多的二氧化碳從大氣溶進海水中變成碳酸,造成海水 pH 值以及碳酸鈣的飽和值愈來愈低,此現象稱為「海水酸化」。海水酸化不利於許多海洋生物的生長,特別是以碳酸鈣為殼體或骨骼的生物(如貝類、珊瑚等)。人類大量排放二氧化碳到大氣中將造成全球暖化與海水酸化,而近幾年的研究更發現了它們之間呈現相輔相成的關係。現在,就讓我們先來談談酸化如何增強全球暖化,再回頭看看暖化又如何加快海水酸化。
天空的雲可以反射部分外來的陽光,使熱能回到太空,達到很好的遮蔽、降溫效果。而海洋中的藻類除了透過光合作用中的固碳(carbon fixation)減緩溫室效應外,還能藉由釋放二甲硫醚(dimethyl lfide,DMS)至大氣來增加天空中雲的數量、降低氣溫。DMS 是一種有機硫,也是海風中那股腥味的來源;此外,它也會在空氣中被氧化成硫酸鹽(sulfate),成為雲凝結核(condensation nuclei)的重要成分。目前研究顯示,海水酸化會減少藻類釋放 DMS 到大氣的量。預計到本世紀末(2100 年)海洋中 DMS 的釋放量會減少 18%,這將使得全球溫度因此增加 0.2~ 0.5°C。
不過,上升 0.5°C 會對海洋生態帶來什麼影響?2020 年夏天臺灣周遭海域出現大規模的珊瑚白化現象,尤其是小琉球(圖一)。因此,如果把這 0.5°C 加在目前的水溫上,珊瑚白化的現象恐怕每年都會發生。
▲圖一:2020 年 9 月 4 日,小琉球杉福外海珊瑚的白化情況。圖片來源/吳睿致
暖化也可能造成海洋進一步酸化。我們先說說比較容易受到陸上水源影響的河口及沿岸。夏天雨水和河水充足,沿海表層總有一層鹽分較少(淡)、溫度較熱的海水(表水)。淡與熱使得這層海水的密度低,所以總是浮在最上層,並與下層海水有明顯的分界面,此現象稱作層化(stratification)。海水層化會大幅降低海水的垂直對流,阻隔溶氧量較高的表水以混合的方式被輸送到較深的海裡。此外,因河水有較高的營養鹽 ,如硝酸根(NO3-)、磷酸根(PO43-)等,更提高河口海域的生產力。當表層水的浮游動、植物長得多,死亡後往下沉的數量也就跟著變多,隨後便會被微生物在底床快速分解,此過程釋放出的二氧化碳、硝酸和磷酸,則會進一步加快海水酸化。自工業革命以來,海洋表水的 pH 值由 8.2 下降至 8.1;而有機質分解造成的酸化,足以讓 pH 值再下降 0.5。
海洋世界的劇變
暖化除了降低海水的氧氣溶解度及溶氧量之外,有機質分解的過程還會消耗溶解在水裡的氧氣。在層化的阻隔下,底層海水流動不佳。當氧氣消耗的速度比補充的速度大時,水體的溶氧量就會下降,進而造成低氧(溶氧 ≦2mg/L)或缺氧的情形。由於魚、蝦、貝等生物都會因缺氧而死亡,因此這種海域通稱為海洋的「死亡區」(dead zone)。
筆者的研究團隊於 2017 年發表在《自然氣候變遷》(Nature Climate Change)期刊中的一篇研究講述了團隊在日本海發現到的現象⸺暖化減緩日本海的海水垂直對流,減少從表層輸送高溶氧海水到深海的量,而從表層往深海掉落的有機質則持續在深海被分解,最終導致深海海水的溶氧量及 pH 值逐年下降。在日本海深達 2,500 公尺處,海水酸化的速度竟比表水快 27%。值得一提的是,日本海的環流就像是一個迷你型大洋,因此我們在日本海觀察到的結果,未來很可能會發生在大洋中。由此可知,暖化會加快深海酸化,而酸化又會進一步增強全球暖化。
隨著海水愈來愈暖,目前已發現有一部分海洋生物開始往水溫較低的高緯度海域遷移,導致赤道海域的生物豐富度(species richness)下降,但極區卻反而增加。例如近年有研究指出,以前住在高雄茄萣外的野生劍蝦,因為海水暖化而北遷約 55.5 公里至彰化王功外海。這同時也代表很多生物沒辦法調適快速的暖化,進而選擇「離家出走」。至於那些沒辦法出走的生物就只能「默默忍受」,若超越忍受極限,最終等待牠們的只剩死亡。
水母爆發危機
當環境發生改變,物種間的平衡以及海洋食物網的結構也會跟著改變。例如比較耐高溫、低環境 pH 值的藻類、水母等生物,可能會變得更具有生存優勢;至於貝類、珊瑚,以及以此為食物或與牠們共生的生物,則會面臨存活危機。除了海洋環境的改變外,過量捕撈魚類其實也是造成水母大爆發的因素之一,因為跟水母競爭食物(浮游生物)的魚類少了,水母當然就會長得更好。
水母的數量激增不只會對生態、漁業、水產養殖,以及水上活動造成危害,過去十幾年間水母堵住發電廠冷卻水入水口,造成發電機組停擺的事件也在各國頻傳,包括美國、加拿大、蘇格蘭、瑞典、日本、法國、以色列都曾出現過此狀況。同樣身為地球村一分子的臺灣,未來也可能遇到水母到發電廠附近玩耍的情況,因此值得我們深思、提防。
暖化與酸化加劇帶來的海洋熱浪
除了變得愈來愈酸、缺氧愈來愈嚴重之外,海洋熱浪(ocean heatwave)也出現得愈來愈頻繁。海洋熱浪是指水溫維持連續五天或以上,甚至幾星期的異常高溫。有人將異常高溫定義為超過 30 年記錄的 90 百分位(溫度比 90% 的過去記錄高),也有人定義是超過 366 天記錄的 90 百分位。在此定義下,其實冬天也會出現海洋熱浪。
相較於冬天的熱浪,夏天的熱浪更受到大眾關注,因為它正是造成珊瑚白化的主要因素。我們經常聽到的珊瑚白化,其實就是跟珊瑚蟲住在一起、有著不同顏色的共生藻,因生活的環境「太熱」,最終棄珊瑚蟲而去徒留下珊瑚潔白的碳酸鈣骨架。有研究顯示,當水溫高達 30.5℃ 便可造成半數在野外人工復育的珊瑚死亡。而依據中央氣象局在不同海域的多年浮球水溫紀錄來看,臺灣周遭珊瑚礁的表水溫度在夏天常常超過 30.5℃。臺灣曾被譽為「珊瑚王國」,世界上超過 1/3 的已知珊瑚都可以在小琉球、墾丁、綠島、蘭嶼、臺東、花蓮、北海岸、東北角等地被發現,但牠們的命運卻也和全球的珊瑚一樣,白化事件在過去 20 幾年來頻頻發生。
0.5℃ 的珊瑚浩劫
過去幾年筆者跟隨國家實驗研究院臺灣海洋科技研究中心的步伐,持續在小琉球進行生態及水文調查(圖二)。從長期水溫觀察發現,2020 年夏天水溫只比過去幾年高出約 0.5℃,且海水高溫持續時間拉長 2~3 週,珊瑚便出現大規模白化的狀況。雖然珊瑚白化有時可在熱浪過後幾個月或一、兩年左右快速恢復(圖三),但 0.5℃ 的熱浪便可造成大規模的白化,說明只要再增溫一點點,臺灣周遭七彩的珊瑚就很有可能會因此而褪色,最終消失。
▲圖二:2022 年 11 月 1 日筆者團隊搭乘新海研 1 號,在小琉球西南海域採集海水樣本並現場收集數據。圖片來源/作者提供
▲圖三:小琉球衫福外海同一株珊瑚,在 2020 年夏季白化後及 2022 年 8 月和 12 月時再訪的恢復情況。圖片來源/吳睿致
另一個有趣的現象是小琉球海域的水溫常常在一天之內出現好幾度的陡降,這可能跟潮汐能量傳遞到近海,造成較深、較冷的水往上湧升後,又下沉有關。這種像是「潑冷水」的現象,可能有助於防止珊瑚「過熱」而白化。不過若是未來有一天在小琉球海域水溫陡降現象的強度減弱或消失,會不會使珊瑚更容易出現白化,以致於死亡?唯有透過持續觀察與研究,才是回答以上問題的不二法門。
只要人類持續排放二氧化碳到大氣中,全球暖化、海洋酸化的速度便不會停下來,且無論是陸地上或海洋,熱浪發生的頻率與強度只會愈來愈高。2015 年 12 月 12 日於聯合國氣候變遷大會(COP 21)中通過的《巴黎協定》(Paris Agreement),提出全球應一起努力以維持暖化不超過工業革命前的 1.5℃(目前已增溫 1.1℃),這 1.5℃ 正是科學家預測到 2050 年時的暖化情形。因此,全球正努力在 2050 年前達到淨零排放,也就是不再排出額外的溫室氣體到大氣。
縱使目標很明確,但仔細想想,我們離 2050 年也只剩 27 年,但當下仍未見有效的替代能源或固碳良方。由此可見,全球暖化與海水酸化在可見的幾十年將會持續、甚至加劇。其中,珊瑚的白化與死亡也許是全球氣候變遷下第一批比較顯眼的難民。持續相關研究,並且繼續尋求能源、固碳、全球氣候變遷的治本方式,是我們積極處理並面對此問題的方法。
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本文轉載、修改自《科學月刊》2023 年 8 月